电源完整性

【博文精选】电源完整性分析——谨慎使用磁珠

磁珠的全称为铁氧体磁珠滤波器(另有一种是非晶合金磁性材料制作的磁珠),是一种抗干扰元件,滤除高频噪声效果显著。磁珠的主要原料为铁氧体。铁氧体是一种立方晶格结构的亚铁磁性材料。铁氧体材料为铁镁合金或铁镍合金,它的制造工艺和机械性能与陶瓷相似,颜色为灰黑色。

磁珠基础知识

磁珠(Ferrite bead)有很高的电阻率和磁导率,其等效电路是一个 DCR 电阻串联一个电感并联一个电容和一个电阻。 DCR 是一个恒定值,但后面三个元件都是频率的函数,也就是说它们的感抗,容抗和阻抗会随着频率的变化而变化,当然它们阻值,感值和容值都非常小。磁珠比普通的电感有更好的高频滤波特性,在高频时呈现阻性,所以能在相当宽的频率范围内保持较高的阻抗,从而提高调频滤波效果。
磁珠的电路符号就是电感,但是型号上可以看出使用的是磁珠。在电路功能上,磁珠和电感是原理相同的,只是频率特性不同而已。正在上传...blob.png

PCB电路中的电源完整性设计

在电路设计中,一般我们很关心信号的质量问题,但有时我们往往局限在信号线上进行研究,而把电源和地当成理想的情况来处理,虽然这样做能使问题简化,但在高速设计中,这种简化已经是行不通的了。尽管电路设计比较直接的结果是从信号完整性上表现出来的,但我们绝不能因此忽略了电源完整性设计。因为电源完整性直接影响最终PCB板的信号完整性。

电源完整性设计干货之三——如何量化使用电容去掉电源噪声

对于已经知道了电容的具体特性和适用范围,以及去耦原理,那么就知道了去耦的具体方法了吗?不是的,下面我们将讲解一下,具体安装到电路板上之后的去耦原理以及具体如何防止电容的准则!

实际贴片上的电容的特性

上一节我们已经讲到电容的具体特性,但是等我们装配到电路板上之后电容的特性会保持和他之前的具体参数一致吗?

答案是否定的!

当电容具体安装到电路板上之后,还会引出额外的寄生参数,从而引起具体的谐振频率的偏移。充分理解电容的自谐振频率与安装谐振频率非常重要。在计算具体参数时,我们需要参考的数据时电容的安装自谐振频率。

电容在电路板上的安装通常包含一段从焊盘引脚拉出的一段引出线,两个或者更多的过孔,这些过孔,引出线会对电容残生哪些具体的影响呢?

假如,电容要对距离它2CM处的一个地方去耦,这是需要考虑几个部分呢?

1、受限电容自身存在的寄生电感,寄生电阻。

2、从电容达到需要去耦区域的路径上的焊盘、引出线、过孔。

3、从去耦区域到达电容地回路上的2CM长的电源及地平面。

这其中,过孔的寄生电感影响最大,其中过孔的半径越大,影响越小。如何计算呢?

电源完整性设计干货之二——电容是如何去掉电源噪声的来龙去脉

采用电容退藕是去掉电源噪声的主要办法

采用电容退藕的方式对提高瞬态电流响应及降低电源分配系统的阻抗都非常有效。

对于电容退藕,有些资料是从电荷存贮的角度去解释,而另外一些则是根据电源分配系统阻抗的角度去解释。这两种解释本质是一样的,只是看问题的角度不同而已。

电容去耦的两种解释如下:

1、从储能角度来解释

“去耦电容的工作原理”
去耦电容的工作原理

当供电负载所需要的电流没有变化时,其所需要的电流由电源供给,即电流I0。此时电容两端电压和负载两端电压是一致的,即Ic为0,同时电容量也存储了相当多的电荷。起点和数量与电容量相关。

当负载电流变化时,电源电流并不会马上发生变化,稳压电源无法及时供给负载电流时,此时芯片电压会马上降低,但是由于电容电压与原来的电源电压一致,此时电容相当于一个小电池给负载供电。

电源完整性设计干货之一——电源噪声的前世今生

为什么要在意电源系统的信号完整性?

随着人工智能、物联网、VR/AR等技术的发展,相应的硬件技术也在日新月异。芯片的集成度也越来越高,内部的晶体管数量也越来越多。但是芯片的外片管脚是有限的,只能依靠内外部有限的供电管脚为内部数以亿计的晶体管供电。对于内部各个晶体管的操作通常由内核时钟及片内外设时钟来同步的,由于内部延时的原因,更晶体管的转换状态是不可能一致的。这就会导致电源噪声在系统内部相互传递。

除了影响芯片内部的正常工作状态,他还会对晶振、PLL、DLL的抖动特性及AD/DA转换电路的精度产生影响。

“晶振抖动”
晶振抖动

电源系统的噪声余量分析

绝大多数芯片都会给出一个工作电压的范围,这个值通常是5%。而这些限制主要考虑两个部分,一个是电源芯片稳压的误差,而另外一个则是电源噪声的峰值幅度。